城市空间扩展规律对衡量区域城市化水平、人口集聚状况具有指示作用,城市空间快速扩展也会导致人口与资源、环境之间的矛盾加剧。因此,城市空间的扩展过程和格局研究对理解区域发展状况和人地关系具有重要意义。城市群是中国新型城镇化的主体形态,也是未来经济发展格局中最具活力和潜力的核心地区。作为中国城市群发展的典型代表,京津冀、长三角和珠三角三大城市群空间扩展特征的研究,对于理解中国城市群的发展特征具有重要价值。使用日间遥感影像获得的城市建成区仅从地表覆盖类型变化反映城市的扩展特征,更适合刻画建成区物质形态,新型社会感知大数据则适用于反映城市实际发展程度和活力。夜间灯光数据能够反映夜晚城镇和乡村的可见光辐射源,是人类社会经济活动的具象表征且与国民生产总值、人口分布、电力消耗等具有较高相关性。因此,开展长时间序列城市群城市功能和活力的过程研究,夜间灯光数据是较好地选择。其中DMSP-OLS与NPP-VIIRS数据质量好、操作方便且开放共享,已被广泛应用于夜光遥感领域的研究。本文以京津冀、长三角和珠三角三大城市群为研究区,鉴于DMSP-OLS和NPP-VIIRS数据存档时间的不连续性,建立NPP-VIIRS影像模拟为DMSP-OLS影像的函数,形成研究区1992—2017年长时间跨度、具有可比性的整合数据集;然后,参考城市建成区统计数据确定夜间灯光最佳阈值提取城市范围,有效剥离统计数据中包含的经济活力不足的城市空间,识别出不属于统计范围的低等级、高活力城镇区,创新了以统计数据和夜间灯光数据提取城市建成区的数据应用视角;最后,从城市群城市空间扩展的规模变化特征、等级结构特征、空间演化特征和空间格局特征等角度切入,全面剖析三大城市群城市空间扩展过程及格局,以期从新的视角认识三大城市群发展特点,为区域发展政策制定提供参考。研究的的主要结论如下:(1)在夜间灯光数据整合方面,基于DMSP-OLS与NPP-VIIRS数据在重叠年份构建的幂函数模型能够实现NPP-VIIRS数据模拟DMSP-OLS数据的操作。经过模拟操作后,相对于原始NPP-VIIRS数据,模拟DMSP-OLS数据与原始DMSP-OLS数据的相关性明显提高,标准误差明显下降。在2012和2013年Pearson相关系数分别达到0.88和0.85,标准误差由18.8和18.1下降到5.3和6.1,依据整合后数据提取城市建成区结果的总体偏差仅为4.28%,表明整合方法具有可行性,整合数据可用于三大城市群城市空间扩展研究中。(2)利用统计数据空间比较法确定夜间灯光最佳阈值提取城市范围,其提取的结果是在最大程度上耦合统计数据的数值结果,更多体现区域经济活力,虽然与城市建成区具有较高一致性,不能保证提取结果的空间分布与统计数据的统计区域达到最佳拟合。另一方面,依据不同级别统计数据获得最佳灯光数据阈值,提取结果的城市内涵也不相同。夜间灯光的城市提取结果,能在较大空间尺度上反映城市群发展活力及其空间异质性;同时,可以有效剥离统计数据中包含的经济活力不足的城市空间,识别出不属于统计范围的低等级、高活力城镇区,精确识别城市群内部均衡性的空间模式。(3)在三大城市群城市空间扩展特征方面:(1)有效区分县级城镇和市级以上城市在城市群发展中的贡献度。在寻求与统计单元一致性的情景下,三个城市群提取结果总体低于全部的提取范围,总偏差约为2.76%。京津冀城市群、长三角和珠三角城市群县级城镇对城市范围的总体贡献率分别为4.07%、3.43%和0.31%。其中京津冀城市群腹地广阔,县级城镇是区域经济活力的重要组成部分,整体上对城市范围的贡献率最大,除1992—1995有所下降外均保持增加的趋势;长三角城市群城市数量众多,1990s初期部分县级城镇经济活力较强,但2000年前后区域内各省市大量撤县设市,县级城镇数量减少,逐渐在2005年后低于京津冀城市群;珠三角城市群腹地较小,城市范围多分布在广州、东莞、佛山、深圳等珠江入海口处,空间聚集效应明显,县级城镇对城市范围的贡献在三个城市群中始终最小。(2)三大城市群城市建成区范围持续扩展,扩展强度经历了低速增长、高速扩展和“新常态”下的平稳扩展三个阶段,表现出明显的时序性特征;同时,三大城市群夜间灯光总强度和平均强度均呈上升趋势,长三角城市群夜间灯光总强度最大,珠三角城市群次之,京津冀最小;三大城市群建成区的平均灯光强度呈逐渐趋同的特征。(3)在城市群规模等级结构特征上,京津冀城市群以北京为首位城市,北京和天津两大城市为增长极,各等级城市间形成了一定的结构体系,但基尼系数相对较大,城市间发展差异明显;长三角城市群以上海为首位城市,形成了苏锡常地区、南京都市圈和环杭州湾等次级城市群发育良好的城市体系,各等级城市发育良好且基尼系数较小,城市间发展相对平均;珠三角城市群以广州为首位城市,同时拥有深圳、东莞、佛山等众多大型城市,城市建成区已经突破了行政界线的藩篱,城市群发展水平高,城市体系较为完整。(4)三个城市群城市扩展的非均衡性呈现出不同的模式。京津冀城市群形成了北京、天津两大增长极城市,城市扩展为京、津主导下的“双核”模式,空间非均衡性显著,尚未形成完善的城市规模体系;长三角和珠三角城市群形态集聚特征明显,空间均衡性更强。重心迁移的路径、方向和距离也反映了三个城市群不同的扩展强度和作用模式,长三角整体重心迁移距离跨度最大,其次为珠三角,京津冀迁移幅度最小。(5)城市空间扩展格局整体呈现热点区不断扩大、冷点区不断缩小特征。长三角和珠三角城市群空间格局变化较大,区域内核心城市的带动作用较强,而京津冀城市群热点和冷点区相对稳定。京津冀城市群热点区Z得分均值最大,表明其热点区向心集聚作用更强,长三角次之,珠三角城市群最小。综上,本文在京津冀协同发展、长三角一体化发展和粤港澳大湾区建设的国家发展战略新背景下,利用整合后的DMSP-OLS与NPP-VIIRS夜间灯光数据完成了1990s以来三大城市群城市空间的重建与发展特征分析,得到了高精度的城市空间扩展图谱与演化特征分析结果。研究工作整合时间跨度、属性信息不同的夜间灯光数据,拓展了夜光遥感应用到地理现象分析的时间序列跨度,对面向城市空间研究的夜间灯光数据整合研究具有一定参考价值。